근육의 생체역학 핵심 정리 : 길이-장력과 힘-속도의 이해

근육은 수축하여 힘을 발생하는 대표적인 구조물이기 때문에, 생체역학적 측면에서 매우 중요하다. 근육의 역학적 특성은 크게 길이-장력의 관계와 힘-속도의 관계 두가지이다. 먼저 길이-장력의 관계는 근육의 길이와 힘을 내는 능력의 관계를 설명하는 것으로 안정상태의 길이에서 최대의 힘을 발생하고, 반대로 근육이 길어지거나 짧아지면 최대로 발생하는 힘이 줄어든다는 의미이다. 다시 설명하면 근육이 단축되고 근육이 늘어난 상태도 힘의 약증이 발생하는 것이다. 임상에서 적용할 수 있는 길이-장력 관계의 예는 도수근력검사에 볼 수 있다. 예를 들어, 장딴지근과 가자미근은 동일하게 발목을 발바닥굽힘시키는 근육이다. 무릎을 굽힘하고 선 자세에서 뒤꿈치 들기를 하면, 장딴지근의 길이가 짧아져서 장딴지근의 작용이 상대적으로 배제되는 효과를 얻을 수 있다. 이때 무릎 관절의 굽힘 정도에 따라서 장딴지근의 참여 정도가 달라진다. 예를 들어 무릎을 10도 정도만 굽힘하면, 장딴지근이 어느 정도 참여하여 까치발 들기가 쉽지만, 무릎의 굽힘이 증가할 수 있도록 장딴지근의 참여가 적어서 뒤꿈치 들기가 힘들어진다. 두 번째 특성은 힘-속도의 관계이며, 이것은 근육의 수축속도와 그 근육이 발생하는 힘과의 관계를 의미한다. 여기에서 근육의 수축속도는 분절의 움직임 속도를 만들고, 발생하는 근육의 힘은 하중에 의해 결정되기 때문에, 근수축과 분절 속도로 볼 수 있다. 근 수축이 등척성, 구심성, 그리고 원심성으로 이루어질 수 있기 때문에, 각 수축 유형에 따라 힘과 속도의 관계가 달라진다. 먼저 등척성 수축일 때는 분절의 움직임이 없기 때문에, 분절의 속도가 "0"이고, 구심성 수축일 때는 힘과 속도의 관계가 역관계를 이룬다. 즉, 힘이 클수록 속도는 느려진다는 것이다. 원심성 수축일 때는 일정 힘의 기간에서는 힘과 속도의 정비례 관계를 보인다. 즉, 힘이 클수록 속도도 빨라진다는 의미이다. 예를 들어 아령을 든다고 생각해보자. 구심성 수축을 할 때 근력이 좋으면, 근력이 나쁠 때보다 빠르게 움직이는 것이 당연한데, 그렇지 않다는 것이 힘-속도의 관계인 것이다. 이상하지 않는가? 우리가 힘이라는 개념으로 이런 관계를 이해하면 오해의 소지가 발생한다. 여기에서 힘은 근육의 힘이지만, 여러분은 아령을 들어올릴 때 근육이 힘이 얼마인지 알 수 있는가? 근육의 힘은 들어올리는 하중의 크기와 같다는 개념이 필요하다. 예를 들어, 10kg의 아령을 들어올리면, 그 사람이 수축하는 근육의 힘은 10kg이다. 즉, 힘-속도의 관계를 하중-속도의 관계라고 생각하면 이런 관계를 쉽게 이해할 수 있다. 구심성 수축을 할 때는 무거운 하중일수록, 들어올리는 속도는 떨어질 것이고, 원심성 수축일 때는 무거운 하중을 내릴 때 그 하중을 제어하기 어려워져서 움직임의 속도가 빨라지는 것이다. 인체 지렛대도 근육에 대한 이야기고, 근육의 작용에 의해 결정된다. 즉, 인체의 지렛대 유형을 결정할 때, 해당 근육의 수축 형태에 따라 달라지게 된다. 지렛대 유형은 1형, 2형, 3형이 있다. 1형 지렛대는 축이 힘과 하중 사이에 위치하는 경우이고, 2형 지렛대는 하중이 축과 힘 사이에 위치하고, 3형은 힘이 축과 하중 사이에 위치하는 것이다. 인체의 지렛대 경우, 일반적으로 축은 관절이고, 힘은 근육, 하중은 무게가 된다. 그러나 근육이 하중이 되고, 무게가 힘이 되는 반대의 경우도 발생하기 때문에, 지렛대 유형을 결정하는 것이 결코 쉬운 일이 아니다. 위팔두갈래근의 작용을 생각해보자. 위팔두갈래근의 작용에 의해 지렛대 유형이 결정된다. 아령을 들어올릴 때 축은 팔꿉관절이 되고, 하중은 아령이고, 힘은 위팔두갈래근의 작용이기 때문에, 3형의 지렛대가 된다. 그러나 아령은 내려놓는 원심성 수축을 할 때의 경우, 축은 팔꿉관절이지만, 위팔두갈래근이 중력에 저항하는 하중으로 작용하고, 아령이 중력방향으로 움직이는 힘이 되기 때문에 2형 지렛대가 되는 것이다. 결합조직을 도수치료할 때 결합조직의 역학적 특성을 아는 것이 중요하다. 결합조직의 특성은 탄성 물질의 특성(스트레스-스트레인 곡선)과 점탄성 물질의 특성(크립 현상, 이완 현상, 이력현상 및 움직임 속도의 의존성)으로 설명될 수 있다. 스트레스-스트레인 곡선은 하중-변형의 곡선으로도 불리는데, 엄밀히 말하면 다른 곡선이다. 그 이유는 다음과 같다. 하중은 외적 힘이고, 스트레스는 하중에 의해 발생하는 내적 힘이고, 또 스트레인은 물질의 변형이고, 변형은 구조물의 변형이다. 물질과 구조물에 대해 간단하게 설명하자면, A4용지를 생각하면 쉽다. A4 용지가 물질이라면, A4 용지로 접은 종이비행기는 구조물이 된다. 용지와 종이비행기의 물리적 특성은 다를 것이다. 예를 들어, 용지와 종이비행기를 날렸을 때 날아가는 패턴을 생각해보면 쉽게 물질과 구조물의 차이를 쉽게 알 수 있다. x축은 스트레인이 되고, y축은 스트레스가 되는 좌표계에서, 그려지는 곡선은 물질의 종류에 따라 다른 형태를 띤다. 결합조직의 스트레스-스트레인 곡선은 거의 비슷한 형태를 띤다. 스트레스-스트레인 곡선의 영역은 크게 3가지 영역으로 나타난다. 말단영역(toe region), 탄성영역(elastic range) 및 소성영역(plastic range). 탄성 범위의 곡선 기울기는 물질의 탄성 계수를 의미하지만, 하중-변형 곡선에서의 탄성 범위의 곡선 기울기는 그 구조물의 강직도(stiffness)를 의미한다. 탄성 범위 내에서는 하중을 제거하면 그 물질은 원래의 형태로 돌아가지만, 소성 범위 내에서 하중을 제거하면 그 물질은 원래의 형태로 돌아가지 못하고, 변형이 발생한다. 탄성 범위에서 소성 범위로 전환되는 지점은 항복지점(yield point)이다. 그리고 곡선 아래 부분의 면적은 그 물질의 강도(strength)를 의미한다.